波粒二象性

物本1201班第一小组

潘荣杰，聂姝，吕舒鹏，朱建宇，韩娟，王金凤，弥倩琴，王震，张毛毛，吴松伟

关于微观粒子波粒二象性的讨论

20世纪以前的物理学家认为，自然界存在两种不同的物质。一种是可以定域于空间一个小区域中的实物粒子，其运动状态可以由动力学变量坐标和动量的不同取值描述，其运动规律遵从牛顿力学定理。宏观物体是大量微观粒子的聚集态。对宏观物体运动状态的描述则上可以以对单粒子的描述为基础，应用统计的方法解决。另一种物质是弥散于整个空间的辐射场，其运动规律遵从Maxwell

方程组。带电粒子在电磁场中的运动，则可通过Lorentz公式和Maxwell方程组联合来解决。不论是Newton方程还是Lorentz-Maxwell方程组都是Laplace决定论的，即给出系统的初始状态，通过解运动方程，都可以唯一的决定系统未来任何时刻的运动状态。

到19世纪末期，经典物理学已发展到相当成熟的地步，在大多数物理学家看来，物质世界的图像已很清楚，基本物理系理论已很完备了。有些物理学家甚至预言，物理学中剩下的工作是把实验做得更精密些，把计算做的更精确些。但随着物理学研究深入微观领域，人们发现微观粒子不同于宏观粒子，它具有波粒二象性。

微观粒子波粒二象性的物理学认识

波粒二象性是微观粒子所普遍具有的属性，这是由大量精心设计的物理实验所证实的。波动的特性由振幅、频率、传播速度等物理量来描述，并由波的干涉、衍射以及波与传播介质的关系等物理现象来表征。粒子运动的特征由速度、质量、密度、粒子的几何尺寸等物理量来描述，并且由粒子与其他物质的碰撞、粒子的运动轨迹、粒子受力后运动状态的改变等物理现象来表征。波动性与粒子运动特性在宏观世界里有着巨大的差异，这种巨大的差异导致了人们在试图理解微观粒子波粒二象性的本质原因时遇到了巨大的障碍，同时也阻碍了人们在思维中形成关于微观粒子存在状态的明晰的与宏观世界的物理经验相一致的有确切决定论描述的物理图景的形成。

关于微观粒子波粒二象性的解释方面，物理学家提出了多种学说。现在人们普遍接受了玻恩关于微观粒子波粒二象性的几率解释，玻恩认为物质波函数在空间某点处的振幅值的平方与粒子出现在该点处附近区域的几率的大小成正比。玻尔提出关于微观世界的“互补原理”，认为由于微观粒子的波粒二象性，只有同时使用波动图像和粒子图像这两组互相排斥、互相对立的经典物理学概念才能对微观粒子作出完整的描述。在一定条件下利用波动图像，在另外的条件下利用粒子图像，两种图像同样重要。

对于粒子的描述是互补的，海森伯提出量子力学中的测不准关系，它的物理意义是微观粒子不可能同时具有确定的位置和动量，测不准关系是对微观粒子波粒二象性的一种数学描述。然而，在对微观粒子波粒二象性的解释方面物理学家

并没有取得一致的意见，爱因斯坦认为微观粒子的运动应该存在着确定的决定论的描述，他对玻恩的几率解释和海森伯的测不准原理提出怀疑，认为这些解释在认识论上是无法接受的。由于无法设计出足以推翻测不准关系以及几率解释的理想实验，爱因斯坦只好承认测不准关系和几率解释并无内在矛盾。但爱因斯坦一直拒绝接受测不准关系，否认量子力学规律的完备性。

这场关于微观粒子波粒二象性的解释的争论已经过去很长时间，在爱因斯坦之后关于此问题的争论平静了许多。尽管在理解微观粒子波粒二象性上存在巨大的认识论方面的障碍，但现在物理学界对此的看法已趋于一致，测不准关系和几率解释几乎成为量子物理学定律而呗普遍接受。爱因斯坦由于在光电效应理论和受激辐射理论方面的研究而成为量子力学的奠基人之一，他对微观粒子运动的确定的决定论描述的坚定信念提示我们：对微观粒子波粒二象性本质的不懈探索仍存在取得新的进展的可能性。

如何理解微观粒子波粒二象性

在经典物理中，波的概念意味着可弥散于全空间，在空间和时间中做周期性变化，可以在空间传播和运动，特别是波可以叠加，并发生干涉和衍射。粒子感念则和这样的事实联系着，可定域在空间一点（实际上是一个小区域中），一个粒子在空间一点的出现总是排斥其他粒子在这一点出现，粒子在保持原特性条件下意味着不可分割。波动性和粒子性在经典物理中是互相排斥的、对立的、不相容的。

在历史上关于物质波曾经有两种看来最为自然的解释：一种是认为波是由粒子组成的，即波动性是物质粒子在空间分布形成的疏密波，就像空气振动形成纵波，空气分子在空间形成疏密分布一样；另一种解释是物质粒子是由波构成的，粒子物质分布不是集中于空间一点，而是分布于波包占据的小空间，并且物质分布于波包强度成正比，因此播报大小就是粒子大小，波包群的速度就是粒子的速度。实际上这两种解释都与实验事实不符。

参考文献：[1]周世勋，量子力学[M]，北京；高等教育出版社，1979

[2]曾谜言，量子力学上册[M]，北京；科学出版社，1993

波动性与粒子性的理想实验分析

大量的精心设计的实验证实了微观粒子具有波动的特性，而且这种波动特性可以准确地使用波动原理来进行测量和计算。X射线的晶体散射实验和高速电子的晶体散射实验用同样的光波干涉原理进行计算，理论计算结果与实验观测结果高度符合，这充分说明干涉原理在这里起决定性作用。

对微观粒子波粒二象性的新解释

本文对运动的电子提出以下三点假设；1运动的电子运动的同时还处在某种振动状态，振动的波长由德布罗意波长公式给出λ=h/(mv)，这里m,v,h分别表示电子的静止质量，运动速率和普朗克常数2在空间某处相遇的两束运动速率相同，运动方向相同的电子由于振动相位的不同而产生干涉，干涉服从波的干涉原理，

3干涉的宏观效应表现为照相底片上的感光量的不同或者检验电流强度不同，感光量的大小或者检验电流的大小与波函数的振幅的平方成正比。

本文认为，感光量的大小并不直接反映到达此处的电子的多少。当在空间某处两束运动速率相同，运动方向相同的电子相遇，且振动的相位相差为∏时，由于相消干涉效应，我们将不能用照相的办法或测量电流的办法测量到电子的到达，而我们已经假定了电子确实到达并通过此处，也行自然界和物理学家们开了一个玩笑：物理学家们本想用照相底片或检验电流等方式测量到达空间某处的电子数，而且对测量的结果深信不疑，而电子却在一些情况下不留痕迹地溜掉了。本文提出的观点可能过于大胆，或者说对现代实验物理学在探测微观物理量时所具有的精密的完善的检测手段提出了不应该的怀疑，但我们坚信实验的结果是检验物理理论正确与否的标准，如果能够通过精心设计的实验检测到以前可能曾经无数次从我们眼皮底下溜走的电子，我们就必须承认它，进而去修正应该被修正的理论。

结语：将纯水在电场的作用下电离，以中性参比电极为零点电位；阴电极设置为低于零点电位；阳极设置高于零点电位，在电位差的电吸引作用下，水中的氢离子向阴极迁移，氢氧根离子向阳极迁移，在离子的迁移过程中与失效的饱和离子交换树脂接触，置换树脂所吸附的离子而达到再生作用。

参考文献：[1]姜志新，宋正孝，离子交换分离工程[M]，天津；天津大学出版社，1992

[2]李春华，离子交换法处理电镀废水[M]，北京；轻工业出版社，1991